WC-Cr 3 C 2 -Ni
Jämförelse av nötningsmekanism samt friktionskoefficient
Wear of coated creping blades, Cr
2O
3& WC-Cr
3C
2-Ni Comparison of wear mechanism and coefficient of friction Martin Similä
Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Examensarbete för kandidatexamen i maskinteknik 15 hp
Handledare: Abdulbaset Mussa Examinator: Jens Bergström 2019-08-28
1
I pappersmaskiner används kräppblad för att kräppa av pappret från en stor roterande cy- linder, en så kallad yankee-cylinder. Dessa blad utstår stora nötningar och beläggs där- för med antingen en kromoxidbeläggning eller en hårdmetallsbeläggning för att öka bla- dets nötningsbeständighet. Bladen beläggs med termisk sprutning, kromoxiden via plas- masprutning och hårdmetallen via ”High-Velocity-Oxy-Fuel”-sprutning (HVOF). I detta arbete har slitagetester utförts på belagda kräppblad genom att använda en ”slider-on-flat- surface” (SOFS) tribometer för att ta reda på vilken av dessa beläggningar som är bäst lämpad för att användas på kräppblad. Vid användning av SOFS belastas kräppbladen med en normalkraft och glider mot en platta till önskad total glidsträcka är uppnådd. För att kunna genomföra slitagetesterna i SOFSen behövdes en fixtur konstrueras och till- verkas och kräppblad behövde kapas till önskad geometri. Det skapades tre koncept för fixturen och med en beslutsmatris gjordes valet vilken av dem som skulle tillverkas. Den tillverkade fixturen håller kräppbladen stabila i både sidled och i glidriktningen och håller kräppbladen i en vinkel likt i verkligheten. Slitagetesterna utfördes vid tre olika glidsträc- kor med konstant normallast. Efter slitagetesterna analyserades bladen i stereomikroskop och svepelektronmikroskop för att identifiera nötningsmekanismer. De dominerande nöt- ningsmekanismerna var abrasiv och adhesiv nötning. På grund av porositet i beläggning- arna ökades antalet sprickor och mer och mer fragment lossnade vid ökande glidsträcka under slitagetesterna. Det visade sig efter mätningar av bortnött bredd på bladet att det hårdmetallbelagda kräppbladet hade bäst nötningsbeständighet. Detta på grund av dess hårda tungstenkarbider som minskade den abrasiva nötningen och spricktillväxten i be- läggningen och dess högre duktilitet jämfört med kromoxiden.
Creping blades are used in paper machines for creping tissue paper from a rotating cylinder called a yankee cylinder. These blades experience severe wear and are therefore coated by either chromium oxide or a hard metal coating to make the blades more wear resistant. The coatings are sprayed on to the blade by thermal spraying processes, the chromium oxide coating with plasma spraying and the hard metal coating with “High-Velocity-Oxy-Fuel”
(HVOF) spraying. In this thesis wear testing of the coated creping blade using a “slider- on-flat-surface” (SOFS) tribometer has been done to find out which of these coatings that is best suited for coating on the creping blade. When using the SOFS, the creping blade is subjected to a chosen normal force and is scraped against a counterface for a set total distance. In order to execute the wear tests in SOFS, construction and manufacturing of a holder for the creping blades was needed and the creping blades had to be cut to correct geometry. Three concepts were created for the holder and the decicion about which one to manufacture was made with a decision matrix. The new holder holds the creping blades stable in side movements and in the sliding direction. It also keeps the blade at a set angle to the counterface as in the real application. The wear tests consisted of three sliding distances with constant normal load. The blades were analyzed in a stereo microscope and in a scanning electron microscope to identify the wear mechanisms when the wear tests were completed. The major wear mechanisms were abrasive and adhesive wear. Because of porosity in the coatings, the number of cracks increased and fragments from the blades came loose when increasing the sliding distance during the wear tests. It showed that by measuring the eroded width on the blades that the hard metal coated blade had the best wear resistance because of the hard tungsten carbides that lowered the abrasive wear and the crack growth in the coating and because of its higher ductility in comparison to chromium oxide.
1 Introduktion 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.2 Problemformulering . . . 1
1.3 Syfte och mål . . . 2
2 Teori 2 2.1 Termisk sprutning . . . 2
2.1.1 Plasmasprutning . . . 3
2.1.2 ”High-Velocity-Oxy-Fuel” (HVOF) . . . 3
2.2 Nötning . . . 4
2.2.1 Adhesiv nötning . . . 4
2.2.2 Abrasiv nötning . . . 4
2.3 Ytfinhet . . . 5
2.4 Friktion . . . 6
2.5 SOFS . . . 7
2.6 Svepelektronmikroskopi . . . 8
3 Experiment och detaljer 9 3.1 Metoder . . . 9
3.1.1 Framtagning av fixtur . . . 9
3.1.2 Framtagning av provmaterial . . . 13
3.1.3 Slitagetester . . . 13
3.1.4 SEM, hårdhetstest & ytprofilering . . . 14
4 Resultat 15 4.1 Fixtur . . . 15
4.2 Slitagetester . . . 16
5 Diskussion 19
6 Slutsats 20
7 Tillkännagivande 21
Referenser 22
Bilaga 1 B1
Bilaga 2 B3
Nötning av belagda kräppblad 1 INTRODUKTION
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
I pappersmaskiner sitter det kräppblad som skrapar bort den tillverkade pappersmassan från en stor yankee-cylinder, se figur 1a. Kräppbladet har en viktig roll i papperstill- verkningen då det är den som ger pappret rätt textur och egenskaper [1]. Trycket som kräppbladet trycker mot yankee-cylindern är normalt mellan 2,28–3,15 N/mm och yankee- cylindern roterar med en ythastighet på ungefär 1500 m/min [2]. Yankee-cylindern är upp- värmd till cirka 100◦C och i kontaktpunkten med kräppbladet är temperaturen är 130◦C–
150◦C. Innan pappersmassan hamnar på cylindern besprutas cylindern med en polymer.
Denna polymer hjälper till att minska vidhäftningen mellan pappersmassa och cylinder samt ger pappret önskade egenskaper [3]. Polymeren hjälper också till att skydda yankee- cylindern då kräppbladet ligger i kontakt med polymeren istället för cylindern, se figur 1b.
Kräppbladet som hela tiden skrapar mot denna polymer utstår stora nötningar. För att ge bladet en lägre friktionskoefficient och öka nötnings- samt korrosionsbeständigheten be- läggs det [4]. Det finns två vanligt förekommande beläggningar; kromoxid (Cr2O3) samt WC-baserade hårdmetallsbeläggningar [5]. Båda beläggningarna beläggs med termisk sprutning; kromoxiden genom plasmasprutning och hårdmetallen genom ”High-Velocity- Oxy-Fuel” (HVOF). När kräppbladen har belagts slipas dem i flera steg till sin önskade geometri.
(a) (b)
Figur 1: Användning av kräppblad mot yankee-cylinder (a) [1] samt i detalj (b).
1.2 Problemformulering
Voestalpine Precision Strip AB i Munkfors är ett världsledande företag inom kallvalsat precisionsstål. De tillverkar bland annat kräppblad till industrier världen över. Kräppbla- den som tillverkas i Munkfors är belagda med kromoxid, Cr2O3, eller med en hårdmetall.
Det finns ett stort intresse att ta reda på vilken av beläggningarna som har bäst nötning- beständighet och därmed är bäst tillämpad för att användas på kräppblad. För att utföra denna undersökning på Karlstads universitet måste en fixtur konstrueras för att utföra sli- tagetesterna då den nuvarande fixturen endast är konstruerad för cylindriska prover.
1.3 Syfte och mål
Syftet med denna studie är att se om det finns någon skillnad hos friktionskoefficienten, nötningsmekanismen samt nötningsbeständigheten för de två beläggningarna vid torr gli- dande kontakt mot yankee-cylinderns material. För att nå dit har följande mål skapats för arbetet:
• Konstruktion samt tillverkning av en fixtur för att utföra nötningstester av kräpp- blad.
• Framtagning av en metod för slitageproverna; bestämma normalkraft, glidhastighet samt glidgeometri.
• Bestämma friktionskoefficienter, nötningsmekanismer samt nötningsbeständigheter för de två beläggningarna vid torr glidande kontakt.
2 Teori
2.1 Termisk sprutning
Termisk sprutning är en process där man värmer upp partiklar till en temperatur nära dess smältpunkt och accelererar dem mot en yta. Partiklarna kan vara metaller, keramer, kar- bider eller polymer. När partiklarna träffar ytan plattas dem till och bildar ett skyddande skikt, se figur 2. Denna beläggning ger materialet förbättrade egenskaper så som högre korrosions- samt nötningsbeständighet [4]. De typer av termisk sprutning som kommer tas upp i denna rapport är plasmasprutning och HVOF.
Figur 2: Översiktsbild av termisk sprutning där partiklar accelereras mot ytan och plattas till. Mellan partik- larna kan porer förekomma.
Nötning av belagda kräppblad 2 TEORI
2.1.1 Plasmasprutning
Plasmasprutning är en form av termisk sprutning där en ljusbåge används för att värma upp plasmagasen upp till 16 000◦C mellan två elektroder. Plasmagasen expanderar då till en jetstråle, se figur 3. Materialet som ska sprutas kan vara metaller eller icke-metaller och är oftast i pulverform. Pulvret matas in i jetstrålen och när plasman återgår till gasform överförs den överblivna energin till pulvret. Denna energi gör så att en del av partiklarna mjuknar och till viss del smälter. Pulverpartiklarna accelereras till en hastighet runt 200–
600 m/s och sprutas mot ytan som ska beläggas. Egenskaperna på skiktet som bildas beror bland annat på temperatur, partikelhastighet och vidhäftningsförmågan hos materialet [6].
Figur 3: Översikt över plasmaprutningsprocessen [6].
2.1.2 ”High-Velocity-Oxy-Fuel” (HVOF)
HVOF är en vidareutvecklad form av plasmasprutning och är i skrivande stund den vanli- gaste typen av termisk sprutning av hårdmetaller [7]. I processen blandas ett bränsle eller gas med syre och antänds. Gaserna expanderar då genom munstycket till en jetstråle, se figur 4. Materialet som ska sprutas värms då upp och acceleraras mot ytan. Till skillnad från plasmasprutning så har HVOF en högre hastighet och lägre temperatur, ungefär 700 m/s och temperaturer mot 1800◦C [5].
Figur 4: Översikt över HVOF-sprayprocessen [8].
2.2 Nötning
Nötning uppstår när två ytor kommer i kontakt och till exempel glider mot varandra. Oftast är nötning inte önskvärt och vill därför minimeras. Själva nötningen är inte en materiale- genskap så som elasticitetsmodul, seghet eller hårdhet, nötningen är ett resultat från hela systemet; ytfinhet, materialegenskaper, glidhastighet, temperaturer osv. [9]. Det finns to- talt sex typer av nötningsmekanismer [10] men endast två av dem kommer tas upp i denna rapport; adhesiv samt abrasiv nötning.
2.2.1 Adhesiv nötning
Adhesiv nötning uppkommer när två plana ytor glider mot varandra och bindning mellan ytorna uppkommer. När ytorna sedan flyttas uppstår skjuvspänning mellan ytorna som gör så att fragment överförs mellan ytorna. Mellan varje överföring tappar fragmentet partiklar vilket till slut resulterar i att bitar lossnar från materialet. Vid ytterligare glidande kontakt undergår det överförda materialet en deformationshärdning vilket resulterar att partiklarna blir hårdare. Vid glidande kontakt mellan två material av olika hårdhet försvinner större fragment från det mjukare materialet och sprickor kan bildas i det hårdare. Dessa sprickor minskar hårdheten hos det hårdare materialet vilket kan göra vissa regioner på det mjukare materialet blir hårdare än det hårda. Detta kan göra att fragment från det hårdare materialet försvinner [10].
2.2.2 Abrasiv nötning
Det finns två typer av abrasiv nötning; plastisk och sprödd. Det är sällan båda förekommer enskilt utan det är oftast en mix av dem. Plastisk abrasiv nötning är när ett hårdare material glider mot ett mjukare material som plastiskt deformeras. Det skapas en abrasiv partikel från det hårda materialet på grund av höga toppar på ytan som glider och skrapar mot ytan på det duktilare materialet och lämnar spår, se figur 5. Antas att trycket P ungefär är lika med materialets hårdhet H och summerar alla partiklars distanser fås Archards nötningsekvation:
Q = KFN
H (1)
Där Q är bortnött volym per enhet nötningssträcka (unit sliding distance). FN är nor- malkraften, H är den mjukare ytans hårdhet och K är en dimensionslös nötningskonstant.
Kvoten k = KH brukar kallas för den dimensionella nötningskonstanten och representerar bortnött volym per glidsträcka, per normallast i kontaktpunkten [11]. Multiplicerar man ekvation (1) med glidstäckan S fås ekvation (2) som beskriver den totala bortnötta voly- men V .
V = QS = kFNS (2)
Enligt ekvation (2) ska sambandet mellan den bortnötta volymen och kraften multi- plicerat med sträckan vara linjärt. Detta samband gäller också om det istället för volym är bortnött sträcka. Konstanten k kommer då istället beskriva bortnött sträcka per glid- sträcka, per normallast på kontaktpunkten. Plottas normalkraften gånger sträckan mot den bortnötta sträckan på bladet kommer lutningen av kurvan som bildas vara konstanten k.
Den andra typen av abrasiv nötning är sprödd abrasiv nötning. När en partikel trycks mot ytan på ett sprödare material bildas en elastisk-plastisk spänningsfält under partikeln.
Detta spänningsfält gör så att en spricka bildas, likt en kon, under partikeln. Ökas kraften
Nötning av belagda kräppblad 2 TEORI
Figur 5: Plastisk abrasiv nötning då en hård abrasiv partikel bildas från det hårdare materialet som skrapar på det mjukare [10].
som partikeln trycker mot ytan ökar sprickan. När man sedan tar bort kraften/trycket från partikeln sluter sig sprickan och det bildas laterala sprickor som är drivna av de elastiska späningnarna i materialet från den plastiska deformationen. Dessa laterala sprickor ökar i längd åt sidorna allt mer efter det att kraften minskar och tar sig uppåt till ytan runt spåret som partikeln har gjort när den gled mot ytan.
2.3 Ytfinhet
Det förkommer alltid ojämnheter på ytor. Ojämnheterna kan ses som höga toppar och låga dalar på ytan, se figur 6. Dessa ojämnheter kan beräknas på många olika sätt, den vanligaste är Rasom är det aritmetiska medelvärdet av ojämnheterna från ytan. Ytfinhen kan beräknas både i en 2D-profil och 3D-profil. Vid beräkning av ytfinheten i 3D skrivs Raom till Saoch beräknas enligt ekvation (3) där A är arean på ytan, µm2som undersöks och z(x, y) är avståndet i µm från medellinjen i vertikalt led i punkten (x, y). Medellinjen m beräknas med ekvation (4).
Sa = 1 A
∫∫
A
|z(x, y)| dA (3)
m = 1 A
∫∫
A
z(x, y) dA (4)
Figur 6: Översiktsbild på en ytprofil z(x). [10].
2.4 Friktion
Friktion är en kraft som ger motstånd till rörelse då till exempel två ytor glider mot varand- ra. Friktion finns överallt och den kan vara både önskvärd och vilja minimeras. Till exem- pel så är det på grund av friktionen som det går att bromsa med en bil. I det fallet vill man maximera friktionen vilket kommer få bilen att stanna fortare. Dock så vill oftast frik- tionen minimeras i andra tillämpningar. Friktionen kan minimera verkningsgrader, öka energiåtgången samt öka nötning. Friktion är, likt nötning, inte en materialegenskap utan en egenskap för hela systemet.
Friktionen för glidning har tre lagar. Dessa lagar är inte sanna för alla typer av material, speciellt inte polymer, och bör därför användas med försiktighet. Den tredje lagen är inte helt sann då det i den flesta fallen resulterar i att friktionskoefficienten minskar en aning vid ökad glidhastighet, men den skiljer sig bara några få procent [11]. De tre lagarna säger att friktionskraften och friktionskoefficienten är:
1. proportionell mot normalkraften.
2. oberoende av kontaktarean mellan ytorna.
3. oberoende av glidhastigheten.
Från första lagen fås ekvation (5). Där Ff är friktionskraften i N, µ är den dimensionslösa friktionskoefficienten och FN är normalkraften i N.
Ff = µFN (5)
Den generella friktionskurvan över friktionskoefficienten mot glidsträcka består av fyra områden; inkörningsperiod, stationärperiod 1, övergångsperiod och stationärperiod 2, se figur 7a.
(a) (b)
Figur 7: Friktionskurvans områden (a) och olika fall hur kurvan kan se ut (b). [10].
Under inkörningsperioden ökar vanligtvis friktionskoefficienten, detta för att ojämn- heter i ytorna bildas och fastnar i varandra vilket gör att friktionen ökar. Friktionskoeffi- cienten kan även minskas under inkörningsperioden, detta kan bero på att ytan redan är väldigt ojämn vilket leder till att ojämnheterna plattas ut vid glidande kontakt vilket leder
Nötning av belagda kräppblad 2 TEORI
till en lägre friktionskoefficient. Allt eftersom glidsträckan ökar blir ytorna jämnare och jämnare vilket leder till att friktionen vanligtvis minskar. När friktionen har minskat star- tar stationärperiod 1. Här är ytorna finare vilket leder till att friktionen är jämn och inte varierar så mycket. Allt eftersom nötningen fortsätter ökar friktionen igen. Vad detta beror på kan vara lite olika saker. En anledning kan vara att temperaturen ökar mellan ytorna vil- ket leder till att adhesiviteten mellan dem ökar. En annan kan vara att nötningen fortsätter och abrasiva partiklar bildas som skrapas mot ytorna vilket ökar friktionen [10]. Detta är övergångsperioden. Till slut når friktionskoefficienten ytterligare en platå, stationärperiod 2. Observera att alla beskrivna områden inte nödvändigtvis behöver finnas, dessa beror på hur systemet ser ut. I vissa fall kan övergångsperioden vara mycket kort och i andra mycket lång, se figur 7b
2.5 SOFS
SOFS som står för ”Sliding on flat surface” är en nötningsmaskin där ett prov sätts fast i en fixtur som sedan glider över en plan yta. I maskinen sitter två sensorer, en som mäter kraften som appliceras ner mot den plana ytan, FN, och en som mäter friktionskraften Ff, se figur 8. Maskinen applicerar kraften och drar provet en bestämd totalsträcka som de- las upp i flera mindre glidsträckor. När provet har nått den angivna glidsträckan avlastas fixturen, maskinen lyfter upp provet och åker tillbaka till startpunken där proceduren upp- repas tills det totala sträckan är uppnådd. Glidsträcka och antal repetitioner anges innan testet börjas.
Figur 8: Översiktsbild på SOFSen med krafter utritade. Inspiration från [12].
2.6 Svepelektronmikroskopi
Ett svepelektronmikroskop (SEM) är ett mikroskop som använder sig av elektroner istället för ljusstrålar som används i ljusmikroskop. Louis de Broglie visade 1942 att en elektron i rörelse har vågegenskaper som i sin tur leder till att en elektronstråle i stor utsträckning följer samma optiska lagar som en ljusstråle. Elektronstrålens våglängder minskar då den utsätts för högre accelerationsspänning och vid 100 000 V är våglängden 0,04 Å jämfört med ljusets våglängd 3900–7000 Å. På grund av detta kan mycket bättre upplösning och förstorning fås med SEM än med ett traditionellt ljusmikroskop eftersom att man inom mikroskopin endast kan ha en upplösning av samma storleksordning som strålningens våglängd [13].
I ett SEM fokuseras elektroner till en konisk stråle som sveps i ett rektangulärt mönster över ytan som ska avbildas, se figur 9a. Spetsen på den koniska strålen kan vara så liten som 10 Å. Provet som ska undersökas läggs på ett provbord som har en sensor som mäter förflyttning i x-, y- och z-led samt lutning. Ovanför bordet sitter en elektrondetektor som mäter antalet elektroner som sprids från ytan. Likt i ett ljusmikroskop avbildas ytor där färre elektroner fångas upp av detektorn som mörkare vilket gör att avbildningens kontras- ter är enkla att tolka. Fokusering av elektronstrålen sker med hjälp av magnetiska linser där man ändrar magnetfältets styrka. Elektronerna påverkas då av Lorenzkraften F enligt ekvation (6), där e är elektronladdningen i eV, v är elektronens hastighet i m/s och B är magnetfältets styrka i T [13].
F = e(v× B) (6)
Inom SEM kan även analysering av provets kemiska sammansättning göras genom ett energidispersivt system (EDS). EDS-detektorn har en dopad halvledarkristall, vanligtvis Si(Li), som aktivt element. När provet som undersöks blir bestrålat med elektroner sänds även fotoner ut med bestämda våglängder. Dessa fotoner skapar elektronhål-par då de träf- far EDS-detektorn. Antalet elektronhål-par som genereras är proportionellt mot fotonens energi. Detektorn lägger sedan en spänning över ytan som registrerar elektronhål-parens energi. Denna laddnig förstärks och plottas i ett så kallat EDS-spektrum, se figur 9b. Från spektrumet fås information om vilken kemisk sammansättning materialet har. [13].
(a) (b)
Figur 9: Översiktsbild på hur ett SEM fungerar (a) samt ett exempel på EDS-spektrum över ren koppar (b).
[14].
Nötning av belagda kräppblad 3 EXPERIMENT OCH DETALJER
3 Experiment och detaljer
3.1 Metoder
3.1.1 Framtagning av fixtur
Framtagningen av fixturen bestod av följande sex steg:
1. Uppmätning av befintlig fixtur.
2. Framtagning av metod för slitagetester.
3. Konstruktion i Creo Parametric 5.0.
4. CAM i Edgecam 2019.
5. Tillverkning.
6. Testkörning.
Vid konstruktion av fixturen utgick mått och geometri från en befintlig fixtur för cy- lindriska plattor, se figur 10. Vid uppmätning av den befintliga fixturen avmonterades den från maskinen och avstånd till infästningspunkter och kraftappliceringspunkten på fixtu- ren mättes med ett skjutmått. Inspänningspunken som bestod av en M6-skruv längst fram på fixturen, punkten där kraften appliceras och hålen för att fästa kraftsensorn var kritiska punkter då dessa är låsta till maskinen. Måtten till dem blev basen för den nya fixturen.
Figur 10: Den ursprungliga fixturen inspänd i SOFSen sedd bakifrån.
För att konstruktionen i Creo Parametric 5.0 skulle gå smidigt bestämdes först vilken metod som skulle användas vid slitagetesterna. I den verkliga användningen av kräpp- bladen hyvlas bladen mot yankee-cylindern, se figur 1a, med en vinkel på 20°. För att efterlikna verkligheten så bra som möjligt togs beslutet att slitagetesterna skulle ha sam- ma geometri. För att säkerställa en vinkel på 20° mellan bladet och glidytan togs beslut att
kräppbladet skulle tryckas fast mot en yta på fixturen som var 20°. Detta medförde att den nya fixturen skulle bli längre än den befintliga men detta var inget problem då det endast var framsidan på fixturen som har inspänningspunkterna till maskinen.
Figur 11: Två knäckningsfall. Fall I orsakad av friktionskraften Ff och fall II orsakad av FN.
När kräppbladen hyvlas mot ytan kommer friktionskraften och den applicerade kraften FN knäcka bladet, se figur 11. För att minimera dessa effekter måste fixturen konstueras på sådant sätt att så lite som möjligt av kräppbladet sticker ut från fixturen för att minska hävarmen som bildas mellan kontaktpunkten blad/yta och infästningspunkten. Att den ap- plicerade kraften har ett minimalt hävarmsavstånd till kontaktpunkten blad/yta är viktigt, då en del av kraften skulle tas upp av infästningen fram om den inte var minimal.
Infästningen av bladet på fixturen har två viktiga delar; dels ska bladet hållas stabilt i sidled så ingen rörelse förekommer under glidning och så ska det hållas fast i glidrikt- ningen så bladet inte glider ut bakåt.
Samtliga kriterier ställdes upp i tabellform enligt Olssons matris [15]
Tabell 1: Kriterier för fixturen
Kriterie
Förklaring Krav = K
nr Önskemål = Ö
1 Vinkel blad/yta 20° K
2 ”Hyvling” K
3 Geometri i främre del som befintlig fixtur K
4 Minimalt utstick av kräppblad K
5 Hävarm kraft/kontaktpunkt lika med noll K
6 Stabil i sidled K
7 Stabil i glidriktning K
8 Enkel att tillverka Ö
9 Enkelt att tillverka blad till fixturen Ö
10 Smidigt att byta blad Ö
Det skapades tre koncept på fixturen. För att besluta vilket av koncepten som skulle bli den slutgiltliga fixturen användes en beslutsmatris (Pugh). Koncept ett användes som referens och de andra koncepten jämförde kriterierna i tabell 1 mot referensen, se tabell 2. För varje kriterie togs ställning om lösningen var bättre (+), sämre (-) eller lika bra (0).
Nötning av belagda kräppblad 3 EXPERIMENT OCH DETALJER
Koncepternas nettovärde summerades och konceptet med högst nettovärde var den som tillverkades [15].
I första konceptet sattes bladet i en slits som skruvades åt med två skruvar, se figur 12a. Slitsen skulle säkerställa att vinkeln är 20° och med dess bakre vägg skulle bladen alltid hamna rätt i fixuren vid byte av blad. Bladen skulle vara 40 mm långa för att kon- taktpunkten blad/yta skulle hamna rakt under kraftpunkten.
I det andra konceptet skulle bladet ligga i ett utfräst spår, se figur 12b. Ett hål skulle sedan borrats i varje blad för att sedan skruvas fast i fixturen med en M5-skruv. Mellan bladet och skruven kommer ett blad utan beläggning tillsammans med en bricka användas för att ge extra stöd mot knäckning. Detta skulle säkerställa att bladen alltid hamnar på samma plats och att de till skillnad mot första konceptet även är stabila i sidled på grund av spåret. Bladen skulle vara lika långa som i koncept ett.
Det tredje konceptet utgick från koncept två men istället för att borra i kräppbladen skulle ett lock tillverkas för att fästa bladet i fixturen, se figur 12c. Spåret gjordes djupare än bladets tjocklek så lockets upphöjning med samma geometri som spåret klämmer fast bladet i spåret. Bladen skulle vara 35 mm långa. De 5 mm som kapas av bladen skulle anvädas som ett stopp för bladen så de ej kan åka ut bakåt. Locket skulle fästas med två stycken M4-skruv. M4 valdes för att dess diameter var bäst lämpad till fixturens geometri.
(a) (b) (c)
Figur 12: De tre koncept av fixturen som skapades där de olika inspänningarna av bladet syns. Första kon- ceptet (a), andra konceptet (b) och det tredje konceptet (c).
Vid tillverkningen av fixturen användes Karlstads univeritets fräsmaskin (Haas VF4).
Innan bearbetningen i fräsmaskinen började skapades ett CAM-program utifrån CAD- modellen. För skapandet av CAM-programmet användes Edgecam 2019. All skärdata och fräsmetoder bestäms i programmet. För att ta fram skärparametrar gjordes ett materialval och skärparametrar togs från Sandvik Coromants CoroPlus ®Tool Guide [16]. Materialet valdes till Alumec 89 på grund av att det är lättbearbetat och tillgängligt när arbetet utför- des. I CoroPlus ®Tool Guide väljs vilken typ av fräsning som ska göras, vilka dimensioner detaljen har, vilket verktyg, material och vilken maskin som används. Med den in-datan beräknas vilka skärparametrar som ska användas som sedan skrivs in i CAM-programmet.
Typen av fräsning under hela tillverkningen var waveform, en dynamisk typ av fräsning där det under hela fräsningen är konstant spånkraft [17]. Programmet exporterades sedan från Edgecam 2019 och laddades in i fräsmaskinen. Totalt krävdes fem inspänningar vid tillverkningen av fixturen.
Under den första inspänningen planfrästes ytan för försäkran om att ytan var helt plan.
Efter planfräsningen borrades hålet för infästningen av kraftsensorn. Därefter frästes kon- turerna, se figur 13a. Vid andra inpänningen vändes fixturen och överblivet material togs
Tabell 2: Relativ beslutsmatris. Kriterier från tabell 1
Kriterie nr Koncept 1 (referens) 2 3
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 + +
7 0 0
8 + +
9 - 0
10 0 0
Summa + 2 2
Summa 0 7 8
Summa - 1 0
Nettovärde 0 1 2
Rangordning 3 2 1
Tillverkning Nej Nej Ja
bort för att underlätta kommande inspänningar. Tredje inspänningen bestod av att borra hålet för infästning i maskinen på baksidan, se figur 14b. Under fjärde inspänningen borra- des det frigående M6 hålet på framsidan samt den öppna fickan för inspänning i maskinen, se figur 14a. Vid den sista inspänningen frästes spåret i den 20° lutande ytan. Till den an- vändes en fixtur som kan snedställas. Fixturen snedställdes till 20° vilket kontrollerades med en gradskiva, se figur 13b. När fixturen var korrekt inspänd frästes spåret och hålen till locket borrades samt gängades.
Locket tillverkades på liknande vis och efterbearbetades manuellt för att passning mel- lan spåret och locket skulle bli optimalt. Hålen försänktes också i efterbearbetningen för att minimera utsticket från skruvskallarna.
Nötning av belagda kräppblad 3 EXPERIMENT OCH DETALJER
(a) (b)
Figur 13: Första inspänningen då konturen av fixturen frästes bort (a). Metod för att vinkeln på sista inpän- ningen var 20° (b).
3.1.2 Framtagning av provmaterial
Voestalpine Precision Strip AB i Munkfors levererade två stycken plattor och fyra styc- ken kräppblad till Karlstads universitet som användes vid slitagetesterna. Kräppbladen var belagda med kromoxid eller hårdmetall.
Plattorna som levererades var av liknande material som yankee-cylindern. 4 mm tjockt stål med en hårdhet på 200 HV belagt med kromkarbid med hårdhet upp till 900 HV.
För att bladen skulle passa i fixturen behövde dem kapas till exakt längd och bredd.
Först kapades bladen till rätt längd i univeritetets kapmaskin, Struers Unitom-50. Sedan kapades dem till rätt bredd. Till den kapningen användes universitetets diamantkapma- skin, Struers Secotom-50, för att inte skada beläggningen under kap-processen. Efter varje kapning i diamantkapmaskinen utfördes kontroller i ett av universitetets stereomikroskop så inte beläggningen hade skadats under kapningen. Därefter kontrollerades längden och bredden på bladen. Behövde något mått justeras gjordes det i en av universitetets slipma- skiner, Struers RotoPol-21.
3.1.3 Slitagetester
Under testets gång beräknas automatiskt friktionskoefficienten med ekvation (5) som log- gas tillsammans med samtliga krafter och glidsträckor. All data sparas till en excelfil.
För att ge ett så bra resultat som möjligt var testernas parametrar så nära verkligheten som möjligt. Maximala glidhastigheten för SOFSen är 60 m/min och var glidhastigheten som användes under testerna. Med ekvation (7) och värdet b = 10 mm och P = 2,7 N/mm blev kraften FN ≈ 27 N. Detta värde ställdes in i SOFSen och var den kraft som bladet tryckte mot ytan under samtliga tester.
FN = P b (7)
Totalt utfördes 18 stycken tester i SOFSen; tre tester vid tre olika glidsträckor för varje beläggning, se tabell 3.
Tabell 3: Data för testerna i SOFSen där varje test upprepar tre gånger för både kromoxiden samt hårdme- tallen för att få ett bra resultat
Glidsträcka S Normalkraft FN
Test 1 100 m 27 N
Test 2 200 m 27 N
Test 3 300 m 27 N
3.1.4 SEM, hårdhetstest & ytprofilering
Efter slitagetesterna utfördes ytterligare analys på bladen och plattorna. Fyra blad från vardera beläggning rengjordes för undersökning i SEM. Två av bladen kapades ytterliga- re för att gjutas in i en varsin hållare i universitetets pressmaskin Struers CitoPress-1 för profilundersökning. Hållarna skapades med en blandning av Struers PolyFast och Struers DuroFast. När gjutningen var färdig slipades dessa i fem steg, från grovslipning till pole- ring. Därefter undersöktes bladen i SEM där bilder på intressanta observationer sparades.
Efter SEM-undersökningen utfördes vickers-hårdhetstester på beläggningarna i hålla- ren. Fem tester per beläggning utfördes och medelvärdet antecknades.
Delar av motytan kapades och rengjordes för undersökning av ytprofilen i universi- tetets 3D-profileringsmaskin Bruker ContourGT. Undersökningar gjordes på spåren från beläggnignarna efter 300 meter total glidsträcka. Det gjordes även en undersökning av den initiala ytprofilen hos motytan.
Nötning av belagda kräppblad 4 RESULTAT
4 Resultat
4.1 Fixtur
Enligt beslutsmatrisen, se tabell 2, valdes koncept tre som det slutgiltliga konceptet. En explosionsritning över infästningen av bladet i fixturen kan ses i figur 14a där det 10 mm breda spåret som stabiliserar bladet i sedled syns tydligt tillsammans med hålet för att skruva fast fixturen i maskinen. Locket fästes med två M4-skruvar för att hålla bladet på plats. Klacken som stabiliserar bladet i glidriktningen ses i figur 14b. Måtten på fixturen ses i figur 15.
(a) (b)
Figur 14: Explosionsritning på den tillverkade fixturen med infästning av kräppblad. Sedd snett bakifrån där fasen som stabiliserar bladet i sidled syns (a) och snett framifrån där klacken som stabiliserar bladet i glidriktningen syns (b).
Figur 15: Ritning på den tillverkade fixturen.
4.2 Slitagetester
Ytfinheten på motytan presenteras i tabell 4. Ytan blev grövre än initialvärdet efter sli- tagetesterna med kromoxidbelagda bladet efter 300 meter och lite finare efter slitagetes- terna med hårdmetallbeslagda bladet efter 300 meter. Ytfinheten på det kromoxidbelagda kräppbladet var Sa= 0,38 och det hårdmetallbelagda kräppbladet Sa = 0,21.
Tabell 4: Ytfinhet efter 3D-profilering på motytan innan samt efter slitagetesterna med respektive beläggning
Initialt Kromoxid 300 m Hårdmetall 300 m
Sa 6,038 µm 6,243 µm 6,011 µm
Hårdheten på beläggningarna presenteras i tabell 5. Kromoxiden med hårdheten 1250 HV är 350 HV hårdare än motytan som är 900 HV. Hårdmetallen har samma hårdhet som motytan.
Tabell 5: Hårdhet på beläggningarna samt substratet
Kromoxid Hårdmetall 1250 HV 900 HV
I figur 16a och 16b presenteras friktionkoefficienten för vardera beläggning vid en glidsträcka på 300 meter. Vid start och stopp kan friktionskoefficienten vara väldigt hög eller låg, därav antas friktionskoefficienten vara medelvärdet av kurvan.
Kromoxiden har en mycket kort inkörningsperiod, en stationärperiod 1 i cirka 50 me- ter och en övergångsperiod i cirka 125 meter. Därefter hamnar friktionskoefficienten i stationärperiod 2 med ett värde µ≈ 0,60.
Hårdmetallen har en 60 meter lång inkörningsperiod och ingen stationärperiod 1 utan direkt en övergångsperiod i 50 meter tills stationärperiod 2 är nådd med en friktionskoef- ficient µ≈ 0,55.
(a) (b)
Figur 16: Friktionskurvor för kromoxid (a) och hårdmetall (b) vid en glidsträcka på 300 m med tillhörande linjärisering.
Det hårdmetallbelagda kräppbladet har en högre nötningsbeständighet än vad det kro- moxidbelagda kräppbladet har då derivatan av linjäriseringen är 1,34 µm per meter glid- sträcka för kromoxiden och 1,30 µm per meter glidsträcka för hårdmetallen, se figur 17.
Nötning av belagda kräppblad 4 RESULTAT
Figur 17: Bortnött bredd mot glidsträcka för de två beläggningarna efter slitagetester i SOFSen.
Abrasiva linjer syns på kromoxiden vid 100 meters glidsträcka, se figur 18a. Små fragment har även lossnat från kanten samt ytan på bladet. Oxidlager syns även på ytan tillsammans med sprickor både längs med och normal till glidriktningen. Se bilaga 1 för EDS-analys. På kromoxiden vid 300 meters glidsträcka har stora fragment lossnat både från kanten och ytan, se figur 18b. En stor del oxid finns på ytan och sprickorna är fler och syns tydligare än vid 100 meter glidsträcka. Abrasiva linjer syns.
Hårdmetallen vid 100 meters glidsträcka har abrasiva linjer och stora bitar har lossnat från ytan på grund av spricktillväxt likt kromoxiden, se figur 18c. Sprickorna går runt de hårda tungstenkarbiderna. Se bilaga 2 för EDS-analys. Vid 300 meter har spricktillväxten ökat vilket har gjort att fler bitar har lossnat från ytan och kanten, se figur 18d. De abrasiva linjerna syns tydligt och ytan är slätare än vid 100 meter glidsträcka. Enligt figur 18a–18d är nötningsmekanismerna densamma oavsett beläggning.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Figur 18: Bilder från SEM efter slitagetester. Efter 100 meter med pilar pekandes på hål i ytan (a) och efter 300 meter med pilar pekandes på sprickor (b) på kromoxiden. Efter 100 meter (c) och efter 300 meter (d) med pilar pakandes på sprickor hos hårdmetallen. I profil efter 300 meter glidsträcka med utmarkerad bortnött volym och bortnött bredd X, kromoxid (e) och hårdmetall (f).
Nötning av belagda kräppblad 5 DISKUSSION
(a) (b)
Figur 19: Inzoomade bilder från SEM på spricktillväxten efter slitagetester vid 300 meter glidande kontakt.
Kromoxid (a) och hårdmetall där pilar pekar på tungstenkarbider som skyddar matrisen mot abrasiv nötning (b).
5 Diskussion
De kromkarbid-besprutade plattorna från voestalpine har inte lika fin ytfinhet som yankee- cylindern. Detta för att det ej gick att planslipa plattorna. Detta påverkar nötningen och friktionskoefficienten då ytfinheten är en viktig parameter inom tribologin. Med en gröv- re yta kommer ytorna nötas snabbare, se tabell 4. Dock när det kommer till att besluta om vilken av dessa beläggningar som är bäst lämpad så är samtliga tester utförda på den- na ytfinhet. Detta gör att jämförelsen av nötningsbeständigheten mellan beläggningarna fortfarande kan göras även om friktionskoefficientens värde inte stämmer överens med verkligheten.
Början på friktionskurvorna skiljer sig mellan beläggningarna, se figur 16a och 16b.
Kromoxiden som är hårdare än hårdmetallen har en betydligt kortare inkörningsperiod.
Detta kan vara på grund av en kombination av dess högre initiala Sa-värde och att kro- moxiden är sprödare än hårdmetallen [18]. Eftersom beläggningen är sprödare går det snabbare att minska yttopparna än hos hårdmetallen som är mer duktil. Det är också på grund av dess högre Sa-värde som kromoxidens friktionskurva liknar fall II i figur 7a.
Hårdmetallens friktionskurva är mer lik fall I i figur 7a och detta beror på dess lägre ini- tiala Sa-värde och att den är mer duktil vilket gör att den efter kort glidsträcka kommer i kontakt med hårda yttoppar av tungstenkarbider [7]. Allt eftersom de hårda yttopparna nöts ner kommer fler hårda yttoppar i kontakt med motytan vilket kräver en högre kraft för att nötas, vilket leder till att friktionkoefficienten ökar. Efter fortsatt glidning nöts dessa ytoppar ner och friktionskoefficienten minskar igen.
I figur 19a kan man se hur sprickbildningen har börjat vilket i sin tur leder till att stora fragment lossnar från ytan. Jämför man kromoxiden vid en glidsträcka på 100 meter med figur 18b som visar ytan vid 300 meter kan man se att det är betyligt mer sprickor efter
300 meter än vid 100 meter. De flesta sprickor går inte längs glidriktningen utan normala till den, se figur 19a. Detta beror på att materialet skjuvas vid glidande kontakt och ökar spricktillväxten. Det har också bildats mer oxid på ytan efter 300 meter vilket kan bero på den höjda temperaturen som blir vid ökande glidsträcka.
Hårdmetallen ser ut att ha blivit jämnare efter 300 meter än vid 100 meter. Detta kan bero på att spricktillväxten ökar med ökande glidsträcka tills sprickorna går ihop i varandra vilket gör så bitar lossnar från ytan. Eftersom sprickorna inte går igenom de hårda tung- stenkarbiderna utan runt dem finns en möjlighet att många karbider lossnar från ytan när fragment lossnar. Detta i sin tur leder till att den mjukare matrisen framhävs och att ytan på så sätt planas ut.
Att den hårdare kromoxiden inte har lika hög nötningsbeständighet som den mjukare hårdmetallen kan bero på flera saker. Man kan se i bilaga 1 och bilaga 2 att båda belägg- ningarna har porer. Dessa porer kan agera som startpunkt för sprickor när beläggningen börjar skjuvas vid glidande kontakt. Eftersom kromoxiden är sprödare än hårdmetallen har den en högre spricktillväxt som ger kromoxiden en lägre nötningsbeständighet eftersom sprickorna får fragment att lossna från ytan när de går ihop runt fragment.
En annan anledning kan vara att trots det att hårdmetallen har en lägre hårdhet, se tabell 5, så gäller dessa värden på makronivå. Den mjukare matrisen i hårdmetallen bidrar till en lägre makrohårdhet. I figur 18f syns tungstenkarbiderna på ytan. Karbiderna är som tidigare nämnt hårda och bidrar till att öka hårdheten hos beläggningen på mikronivå.
Dessa karbider agerar som skydd för matrisen, vilket kan ses i figur 19b. I matrisen bakom tungstenkarbiderna syns inga spår av abrasiv nötning, men runt dem syns tydliga spår av abrasiv nötning. Alltså ger en ökad mängd karbider en högre nötningsbeständighet mot abrasiv nötning [7]. Tungstenkarbiderna bidrar också till att öka nötningsbeständigheten genom att agera som hinder för spricktillväxten genom materialet.
6 Slutsats
Det kromoxidbelagda kräppbladet har en friktionskoefficient som konvergerar mot µ ≈ 0,60 efter 175 meter av glidande kontakt. Kräppbladet belagd med hårdmetallen har en friktionskoefficent som konvergerar mot µ≈ 0,55 efter 110 meter glidande kontakt.
Det hårdmetallbelagda kräppbladet har en högre nötningsbeständighet än vad det kro- moxidbelagda kräppbladet har. Detta på grund av att porerna som bildas vid sprutnings- processen agerar som startpunkt för sprickor som växer snabbare i den sprödare kromox- idbeläggningen. Hårdmetallens tungstenkarbider bidrar till att hindra spricktillväxten och skydda den mjukare matrisen mot abrasiv nötning. Nötningmekanismerna är abrasiv och adhesiv nötning.
Nötning av belagda kräppblad 7 TILLKÄNNAGIVANDE
7 Tillkännagivande
Först och främst skulle jag vilja tacka min handledare Abdulbaset Mussa för hans stöd och alla råd angående detta projekt.
Jag vill också tacka min andra handledare Natalie Pettersson på Voestalpine Precision Strip AB för all hjälp och material i form av kräppblad, plattor och ritningar.
Även tack till Karlstads universitet som låtit mig använda deras maskiner för att genom- föra detta arbete.
Referenser
[1] Yankee Dryer Dry Creping Overview. URL:https://www.convergencetraining.
com/yankee-dryer-dry-creping-basics.html (hämtad 2019-05-01).
[2] Jonna Boudreau. New methods for evaluation of tissue creping and the importance of coating , paper and adhesion. Karlstad: Fakulteten för hälsa, natur- och teknikve- tenskap, Kemiteknik, Karlstads universitet, 2013, s. 1–59. ISBN: 9789170635250.
[3] By Ian Padley, Tissue Applications Manager och Yankee Dryer. “The Basics of Creping in the Tissuemaking Process”. I: (), s. 1–8. URL:https://tissuestory.
com/TS%20PDFs/Tissue%20Story%20Crepe%20Final%20from%20IAN.pdf.
[4] I. Hulka m. fl. “Wear properties of CrC-37WC-18M coatings deposited by HVOF and HVAF spraying processes”. I: Surface and Coatings Technology 210 (okt. 2012), s. 15–20. ISSN: 02578972. URL:https://www.sciencedirect.com/science/
article/pii/S0257897212007670.
[5] V. Matikainen m. fl. “A Study of Cr3C2-Based HVOF- and HVAF-Sprayed Coa- tings: Microstructure and Carbide Retention”. I: Journal of Thermal Spray Tech- nology 26.6 (aug. 2017), s. 1239–1256. ISSN: 10599630. URL: http : / / link . springer.com/10.1007/s11666-017-0578-x.
[6] Javad Mostaghimi, Mohammad Pasandideh-Fard och Sanjeev Chandra. “Dynamics of Splat Formation in Plasma Spray Coating Process”. I: Plasma Chemistry and Plasma Processing 22.1 (2002), s. 59–84. ISSN: 02724324. URL:https://link- springer-com.bibproxy.kau.se/content/pdf/10.1023%7B%5C%%7D2FA%
7B%5C%%7D3A1012940515065.pdf.
[7] V. Matikainen m. fl. “Sliding wear behaviour of HVOF and HVAF sprayed Cr3C2- based coatings”. I: Wear 388-389 (okt. 2017), s. 57–71. ISSN: 00431648. URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164817305665.
[8] Peter Hjertsson. HVOF-sprutning - Svetskommissionen. 2014. URL:http://www.
svets.se/kunskapsbanken/tekniskinfo/termisksprutning/hvofsprutning.
4.38a2e557141001d6475360a.html (hämtad 2019-05-03).
[9] Fredrik W Lindvall. Adhesive wear testing and modelling of tool steels sliding against sheet metals. Karlstad: Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap, Materialteknik, Karlstads universitet, 2014. ISBN: 9789170635564.
[10] Bharat Bhushan. Introduction to tribology. Wiley, 2002. ISBN: 0471158933.
[11] Ian M Hutchings. Tribology — Friction and wear of engineering materials. 1992.
ISBN: 034056184X.
[12] Patrik Karlsson. The influence of tool steel microstructure on galling. Karlstad: Fa- kulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap, Materialteknik, Karlstads universitet, 2014. ISBN: 9789170635687.
[13] Sture Hogmark och Staffan Jacobson. Svepelektronmikroskopi i praktik och teori.
3. utg. Uppsala: Uppsala universitet Tekniska högskolan, 1990.
[14] Sture Hogmark, Staffan Jacobson och Åsa Kassman–Rudolphi. Svepelektronmik- roskopi i praktik och teori. 13:3. Uppsala: Instituten för Teknikvetenskaper, 2014.
Nötning av belagda kräppblad REFERENSER
[15] Hans Johannesson, Jan-Gunnar Persson och Dennis Pettersson. Produktutveckling - effektiva metoder för konstruktion och design. 1. uppl. Liber, 2004. ISBN: 97-47- 05225-2.
[16] Sandvik Coromant Sverige AB. CoroPlus® ToolGuide. URL: https : / / www . sandvik.coromant.com/en- gb/products/coroplus- toolguide/ (hämtad 2019-05-15).
[17] Edgecam. Waveform. 2019. URL: https : / / www . edgecam . com / edgecam - waveform (hämtad 2019-04-04).
[18] Giovanni Bolelli m. fl. “Residual stresses in HVOF-sprayed ceramic coatings”. I:
Surface and Coatings Technology 202.19 (2008), s. 4810–4819. ISSN: 02578972.
